DE102014103433B4 - DIGITAL-ANALOG CONVERTER - Google Patents
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Abstract
Digital-Analog-Wandler (350) für einen Strommodus-Wandler (100), der umfasst:einen Spannungs-Strom-Wandler (333);eine erste Wandlerschaltung (320), die einen ersten Teil-DAC umfasst und dazu ausgelegt ist, ein während eines Schaltzyklus konstant bleibendes und zeitkontinuierliches Signal zu erzeugen; undeine zweite Wandlerschaltung (330), die dazu ausgelegt ist, ein sich über den Schaltzyklus kontinuierlich veränderndes Signal zu erzeugen, wobeidie zweite Wandlerschaltung (330) einen zweiten Teil-DAC (331), der dazu ausgelegt ist, ein Diskretwertsignal zu erzeugen, und eine Wellenform-Erzeugungsschaltung, die mit dem zweiten Teil-DAC (331) gekoppelt ist, umfasst, wobeidie Wellenform-Erzeugungsschaltung dazu ausgelegt ist, das Diskretwertsignal in das sich kontinuierlich verändernde Signal umzusetzen, wobeidie Wellenform-Erzeugungsschaltung ein einem Schalter (11) des Strommodus-Wandlers (100) nachgebildetes Element (332) und einen Kondensator (334) umfasst, wobeidas nachgebildete Element (332) mit einem Ausgang der ersten Wandlerschaltung (320) gekoppelt ist, wobeider Kondensator (334) eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobeidie erste Elektrode mit einem Knotenpunkt zwischen dem zweiten Teil-DAC (331) und einem Eingang des Spannungs-Strom-Wandlers (333) gekoppelt ist, ein Ausgang des Spannungs-Strom-Wandlers (333) mit einem Ausgang der ersten Wandlerschaltung (320) gekoppelt ist, und die zweite Elektrode mit einem Massepotential gekoppelt ist, und wobei an einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (350) eine Spannung bereitgestellt wird, die an einem Knoten zwischen der ersten Wandlerschaltung (320) und dem nachgebildeten Element (320) abgegriffen wird.A digital-to-analog converter (350) for a current mode converter (100), comprising: a voltage-to-current converter (333); a first converter circuit (320), which comprises a first sub-DAC and is designed to do so generate a constant and continuous-time signal during a switching cycle; and a second converter circuit (330) configured to generate a signal that changes continuously over the switching cycle, the second converter circuit (330) comprising a second partial DAC (331) configured to generate a discrete value signal and one Waveform generation circuit coupled to the second sub-DAC (331), the waveform generation circuit being adapted to convert the discrete value signal into the continuously changing signal, the waveform generation circuit being a switch (11) of the current mode Transducer (100) includes a simulated element (332) and a capacitor (334), the simulated element (332) being coupled to an output of the first converter circuit (320), the capacitor (334) comprising a first electrode and a second electrode, which first electrode with a node between the second partial DAC (331) and an input of the voltage-current converter (333) ppelt, an output of the voltage-current converter (333) is coupled to an output of the first converter circuit (320), and the second electrode is coupled to a ground potential, and wherein at an output of the digital-to-analog converter (350) a voltage is provided which is tapped at a node between the first converter circuit (320) and the simulated element (320).
Description
ERFINDUNGSGEBIETFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Digital-Analog-Wandler.The present disclosure relates to a digital-to-analog converter.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die Leistungsversorgung und Spannungsregelung für Vorrichtungen, wie z.B. eine zentrale Verarbeitungseinheit, analoge/HF-Teilsysteme, einen Speicher, Systems-on-Chip oder Peripherielasten wird zu einer großen Herausforderung aufgrund der höheren Anforderungen an Rechner-, Steuerungs- und Kommunikationsplattformen. In den vergangenen Jahren hat sich ein steigender Bedarf hinsichtlich Leistungsversorgung und Leistungswandlern, die hohe dynamische Kenngrößen bieten, gezeigt. Eine wichtige Herausforderung bei Leistungsversorgungen ist die Ermöglichung eines schnellen Ansprechens auf starke Last- und Leistungsschwankungen. Zu diesem Zweck kann eine Strommodus-Steuermethode angewendet werden, bei der eine Stromrückkopplungsschaltung zusätzlich zu einer Spannungsrückkopplungsschaltung oder auch als die einzige Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist.Power supply and voltage regulation for devices such as A central processing unit, analog / RF subsystems, a memory, systems-on-chip or peripheral loads is becoming a major challenge due to the higher demands on computer, control and communication platforms. In recent years, there has been an increasing need for power supply and power converters that offer high dynamic parameters. An important challenge for power supplies is to enable them to respond quickly to strong load and power fluctuations. For this purpose, a current mode control method can be used in which a current feedback circuit is provided in addition to a voltage feedback circuit or as the only feedback circuit.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Digital-Analog-Wandler für eine Rückkopplungsschaltung in einem stromgesteuerten Leistungswandler bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object of the present invention is to provide an improved digital-to-analog converter for a feedback circuit in a current-controlled power converter. The object is achieved by a device having the features of
Die Druckschrift
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Die Publikation „A new, continuous-time model for current-mode control“ von R. B. Ridley in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 6, No. 2, 1991, Seiten 271-280 - ISSN 1941-0107, beschreibt ein neues Strommodus-Steuerungsmodell, das die Genauigkeit der Modellierung von Abtastdaten mit der Einfachheit der Pol-Null-Darstellung kombiniert. Alle Kleinsignalcharakteristika der Strommodussteuerung werden vorhergesagt, einschließlich hochfrequenter subharmonischer Schwingungen, die auch bei Tastverhältnissen von weniger als 0,5 auftreten können. Die beste Darstellung für die Funktion der Übertragung von Steuerung zu Ausgabe wird als dritte Ordnung dargestellt. Modellvorhersagen werden durch Messungen an einem Abwärtswandler bestätigt.The publication "A new, continuous-time model for current-mode control" by R. B. Ridley in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 6, No. 2, 1991, pages 271-280 - ISSN 1941-0107, describes a new current mode control model that combines the accuracy of the modeling of sample data with the simplicity of pole-zero representation. All small-signal characteristics of current mode control are predicted, including high-frequency subharmonic vibrations that can occur even at duty cycles less than 0.5. The best representation for the function of the transfer from control to output is represented as the third order. Model predictions are confirmed by measurements on a buck converter.
Die Publikation „Digital Control of Single-Inductor Dual-Output DC-DC Converters in Continuous-Conduction Mode“ von D. Trevisan et al. in IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2005, Seiten 2612-2622 - ISBN 978-0-7803-9033-1, beschreibt die Anwendung der digitalen Steuerung für nicht isolierte Single-Induktor Dual-Output Step-Down DC-DC Converter im Continuous-Conduction Mode (CCM). Die genaue und unabhängige Steuerung jedes Ausgangs erfordert eine ausgeklügelte digitale Steuerungsarchitektur, um Kreuzregulierungsprobleme zu minimieren. Die angewandte Steuerung beinhaltet eine separate Regelung der Gleichtakt- und Differenzmodus-Ausgangsspannungen. Darüber hinaus wurden die variable Verstärkung des Differentialmodusreglers und eine nichtlineare Auswertung der Gleichtaktspannung untersucht, um das dynamische Verhalten des Systems bei unterschiedlichen Lastbedingungen zu verbessern. Experimentelle Untersuchungen wurden mit diskreten Komponenten durchgeführt, wobei die digitale Steuerung in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert wurde.The publication “Digital Control of Single-Inductor Dual-Output DC-DC Converters in Continuous-Conduction Mode” by D. Trevisan et al. in IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2005, pages 2612-2622 - ISBN 978-0-7803-9033-1, describes the use of digital control for non-isolated single-inductor dual-output step-down DC-DC converters in continuous -Conduction Mode (CCM). Precise and independent control of each output requires a sophisticated digital control architecture to minimize cross-regulation problems. The control used includes separate regulation of the common mode and differential mode output voltages. In addition, the variable gain of the differential mode controller and a non-linear evaluation of the common mode voltage were examined in order to improve the dynamic behavior of the system under different load conditions. Experimental investigations were carried out with discrete components, whereby the digital control was implemented in a field programmable gate array (FPGA).
Die Druckschrift
FigurenlisteFigure list
Die beiliegenden Zeichnungen sind vorgesehen, um ein besseres Verständnis der Offenbarung zu ermöglichen und sind in dieser Beschreibung enthalten und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Offenbarung. Weitere Varianten und zahlreiche der vorgesehenen Vorteile von Ausführungsformen werden schnell offensichtlich, wenn sie durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise relativ zueinander maßstabgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines nicht zur Erfindung gehörigen digital gesteuerten Strommodus-Leistungswandlers nach der Offenbarung. -
2a-2c zeigen beispielhafte Ausgangssignale von Digital-Analog-Wandlern nach der Offenbarung. -
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines nicht zur Erfindung gehörigen Digital-Analog-Wandlers für einen digital gesteuerten Strommodus-Wandler nach der Offenbarung. -
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Digital-Analog-Wandlers für einen digital gesteuerten Strommodus-Wandler nach der Offenbarung. -
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften nicht zur Erfindung gehörigen Verfahrens zum digitalen Steuern eines Strommodus-Leistungswandlers nach der Offenbarung.
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1 shows a schematic block diagram of a digitally controlled current mode power converter not according to the invention according to the disclosure. -
2a-2c show exemplary output signals from digital-to-analog converters according to the disclosure. -
3rd shows a schematic block diagram of a digital-to-analog converter not belonging to the invention for a digitally controlled current mode converter according to the disclosure. -
4th shows a schematic block diagram of a digital-to-analog converter according to the invention for a digitally controlled current mode converter according to the disclosure. -
5 FIG. 12 shows a flow diagram of an exemplary method for digitally controlling a current mode power converter according to the disclosure.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Die Aspekte und Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen generell verwendet werden, um durchgehend gleiche Elemente zu bezeichnen. In der folgenden Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis eines oder mehrerer Aspekte der Offenbarung zu ermöglichen. Es ist für einen Fachmann auf dem Sachgebiet jedoch offensichtlich, dass ein oder mehrere Aspekte der Ausführungsformen mit einem geringeren Grad an spezifischen Details durchgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form gezeigt, um das Beschreiben eines oder mehrerer Aspekte der Offenbarung zu vereinfachen. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch vom Schutzumfang der Offenbarung abgewichen wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstabgetreu oder nicht notwendigerweise maßstabgetreu sind.The aspects and embodiments will now be described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are generally used to designate the same elements throughout. In the following description, numerous specific details are set forth for purposes of illustration to provide a thorough understanding of one or more aspects of the disclosure. However, it is obvious to a person skilled in the art that one or more aspects of the embodiments can be carried out with a lower degree of specific details. In other instances, known structures and elements are shown in schematic form to simplify the description of one or more aspects of the disclosure. It should be understood that other embodiments may be used and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the disclosure. It should also be noted that the drawings are not to scale or not necessarily to scale.
Des Weiteren können offengelegte Merkmale oder Aspekte mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für eine vorgegebene oder spezielle Anwendung gewünscht und vorteilhaft sein kann. Die Ausdrücke „gekoppelt“ und „verbunden“, zusammen mit Ableitungen davon, können verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Ausdrücke verwendet werden können, um anzuzeigen, dass zwei Elemente zusammenwirken oder miteinander interagieren, und zwar unabhängig davon, ob sie in direktem physischen oder elektrischen Kontakt stehen oder sie nicht in direktem Kontakt miteinander stehen. Die folgende detaillierte Beschreibung darf daher nicht als Einschränkung angesehen werden, und der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist durch die beiliegenden Patentansprüche definiert.Furthermore, disclosed features or aspects can be combined with one or more other features or aspects of the other implementations, as may be desired and advantageous for a given or special application. The terms "coupled" and "connected", along with derivatives thereof, can be used. It should be noted that these terms can be used to indicate that two elements are interacting or interacting with one another, regardless of whether they are in direct physical or electrical contact or not. The following detailed description, therefore, should not be taken as a limitation, and the scope of the present disclosure is defined by the appended claims.
Die folgende Offenbarung betrifft einen Leistungswandler. Es sei hiermit darauf hingewiesen, dass unterschiedliche Arten von Leistungswandlern verwendet werden können, wie z.B. Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandlerschaltungen, wie Abwärtswandlerschaltungen, Aufwärtswandler oder Abwärts-/Aufwärtswandlerschaltungen, Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlerschaltungen oder Wechselstrom-Gleichstromwandlerschaltungen. The following disclosure relates to a power converter. It should be noted that different types of power converters can be used, e.g. DC-DC power converter circuits, such as step-down converter circuits, step-up converters or step-down / step-up converter circuits, DC-AC converter circuits or AC-DC converter circuits.
Stromgesteuerte Leistungswandler, wie z.B. DC-DC-Wandler, vergleichen ein charakteristisches Merkmal, wie z.B. den Spulenstrom, mit einem Schwellwertsignal, wie z.B. einem Schwellstrom, der von einem Steuerkreis abgegeben wird. Der Leistungswandler kann einen Satz von Transistoren enthalten. Er kann z.B. einen ersten Schalter, z.B. einen n-MOS-Transistor, einen zweiten Schalter, z.B. einen p-MOS-Transistor, eine Spule und einen Ausgangskondensator enthalten. Wenn der Schwellwert erreicht ist, wird der erste Transistorschalter abgeschaltet, und der zweite Transistorschalter wird eingeschaltet (bei dem Beispiel eines Aufwärtswandlers). Vor dem Erreichen des Schwellwerts steigt der Spulenstrom, und nach dem Erreichen des Schwellwerts rekonfigurieren die ersten und zweiten Schalter die Schaltung, und der Spulenstrom verringert sich.Current controlled power converters, e.g. DC-DC converters, compare a characteristic, such as the coil current, with a threshold signal, e.g. a threshold current emitted by a control circuit. The power converter can include a set of transistors. He can e.g. a first switch, e.g. an n-MOS transistor, a second switch, e.g. a p-MOS transistor, a coil and an output capacitor included. When the threshold is reached, the first transistor switch is turned off and the second transistor switch is turned on (in the example of a step-up converter). Before reaching the threshold, the coil current increases, and after reaching the threshold, the first and second switches reconfigure the circuit and the coil current decreases.
Der Leistungswandler
Der Leistungswandler
Das spezifische Signal kann zu einem Controller
Der Leistungswandler
Der Leistungswandler
Die Schaltung in
Die Flankenkompensationsschaltung
Unter der Annahme, dass ein Strom
Die Stromquelle
Der Parameter, der für ein analoges Ist-Stromsignal repräsentativ ist, kann das analoge Ist-Stromsignal selbst oder eine Spannung sein, die für das analoge Ist-Stromsignal repräsentativ ist, und der Parameter, der für das flankenkompensierte analoge Soll-Stromsignal repräsentativ ist, kann das flankenkompensierte analoge Soll-Stromsignal selbst oder eine Spannung sein, die für das flankenkompensierte Soll-Stromsignal repräsentativ ist.The parameter that is representative of an analog actual current signal can be the analog actual current signal itself or a voltage that is representative of the analog actual current signal and the parameter that is representative of the edge-compensated analog target current signal. can be the edge-compensated analog target current signal itself or a voltage that is representative of the edge-compensated target current signal.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Umwandeln des analogen Soll-Stromsignals in ein flankenkompensiertes analoges Soll-Signal das Verringern oder Erhöhen eines Werts des analogen Soll-Stromsignals. Insbesondere umfasst es das Erzeugen eines Rampen-Stromsignals, was z.B. durch Laden eines Kondensators mittels einer Stromquelle erfolgen kann. Die Stromquelle kann als eine anpassbare Stromquelle implementiert sein, insbesondere in Form eines Digital-Analog-Wandlers. According to one embodiment of the method, converting the analog desired current signal into an edge-compensated analog desired signal comprises reducing or increasing a value of the analog desired current signal. In particular, it involves generating a ramp current signal, e.g. can be done by charging a capacitor using a power source. The current source can be implemented as an adaptable current source, in particular in the form of a digital-to-analog converter.
Obwohl die Offenbarung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben worden ist, können Veränderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen durchgeführt werden, ohne dass dadurch vom Wesen und Schutzumfang der beiliegenden Patentansprüche abgewichen wird. Insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Bauteilen oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen etc.) durchgeführt werden, müssen, sofern nichts anderes angegeben ist, die Ausdrücke (einschließlich eines Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Bauteile zu beschreiben, jedem anderen Bauteil oder jeder anderen Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion des beschriebenen Bauteils durchführt (z.B. diesem funktionell äquivalent ist), selbst wenn sie der offenbarten Struktur, die die Funktion bei den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Offenbarung durchführt, nicht strukturell äquivalent sind.Although the disclosure has been shown and described with reference to one or more implementations, changes and / or modifications may be made to the examples shown without departing from the spirit and scope of the appended claims. In particular with regard to the various functions performed by the components or structures (arrangements, devices, circuits, systems, etc.) described above, unless expressly stated otherwise, the terms (including a reference to a “means”) must: may be used to describe such components to correspond to any other component or structure that performs the specified function of the described component (e.g., is functionally equivalent), even if it is of the disclosed structure that performs the function in the exemplary implementations presented here of Revelation are not structurally equivalent.
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